Автомобильный усилитель мощности GTO601.1 фирмы JBL (часть 1)

Фирма JBL уже более шестидесяти лет выпускает аудиотехнику для различных применений и смогла добиться хороших показателей "цена/качество" на всю номенклатуру продукции. Эти показатели справедливы и для серии GTO, включающей в себя полную линейку моделей автомобильных усилителей.

В статье рассматривается одноканальный усилитель мощности "GTO601.1" класса D, представляющий собой моноблок для сабвуфера со встроенным регулируемым фильтром нижних частот.

Основные характеристики и возможности усилителя

В усилителе с сабвуферным каналом, предназначенным для тылового громкоговорителя, реализована функция повышения уровня низких частот BASS BOOST, обеспечивающая регулировку уровня НЧ составляющей звуковой картины (0...12 дБ на частоте 45 Гц). Поскольку используемый в аудиосистеме сабвуфер (динамик, громкоговоритель) не способен воспроизводить весь спектр звуковых частот без искажений, усилитель располагает встроенным активным двухполосным электронным кроссовером - системой фильтров с плавным выбором граничных частот фильтров нижних (ФНЧ) (32...320 Гц, 12 дБ/окт.) и верхних (ФВЧ) частот, что позволяет настроить их под конкретную автомобильную звуковоспроизводящую систему. Таким образом, кроссовер позволяет вырезать из частотного спектра определенную полосу, в которой динамическая головка (сабвуфер) работает с минимальными искажениями.

В усилителе "GTO601.1" обеспечена эффективная защита от перегрузки, короткого замыкания и перегрева, также имеется возможность плавной настройки входной чувствительности.

В усилителе имеются по 2 пары линейных входов (интерфейс RCA) и выходов с высококачественными золочеными разъемами. На панели управления установлен светодиодный индикатор, непрерывное свечение которого свидетельствует о нормальной работе устройства, а мигающее - о срабатывании защиты и увеличении напряжения питания.

Внешний вид усилителя с открытой крышкой показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид усилителя с открытой крышкой

Основные электрические характеристики усилителя приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики усилителя

Структурная и принципиальная схемы усилителя

Усилитель представляет собой моноблок, в состав которого входит импульсный источник питания (ИП), входные и выходные цепи, предварительные усилители, электронный кроссовер, схема управления от головного аппарата, схема индикации и усилитель мощности.

Импульсный источник питания имеет некоторое выходное сопротивление, которое, в первом приближении, обратно пропорционально мощности преобразователя. Поскольку одной из составляющих выходного сопротивления источника питания становится и сопротивление питающих проводов, то использование единой конструкции моноблока с толстыми медными шинами для подвода напряжения питания к выходным каскадам усилителя представляется грамотным решением, улучшающим динамику и точность передачи сигнала.

Источник питания выполнен на базе микросхемы TL494 фирмы Texas Instruments, структурная схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема микросхемы TL494

Микросхема представляет собой ШИМ контроллер с фиксированной частотой и содержит следующие узлы: 

-генератор пилообразного напря жения DA6;

-источник опорного стабилизированного напряжения (ИОН) DA5;

-компаратор управления скважностью ("мертвым" временем) DA1;

-компаратор ШИМ DA2;

-усилитель ошибки по напряжению DA3;

-усилитель ошибки по сигналу ограничения тока DA4;

-два выходных ключа на транзисторах VT1 и VT2 с открытыми коллекторами и эмиттерами;

-динамический двухтактный D-триггер DD2 в режиме деления частоты на 2;

-вспомогательные логические элементы DD1, DD3-DD6;

-источник постоянного напряжения (0,1 B);

-источник постоянного тока (0,7 мА).

Встроенный источник опорного напряжения (ИОН) формирует на выв. 14 микросхемы эталонное напряжение (REF) +5 В ±1%, которое используется для подачи на входы схем, потребляющих не более 10 мА, например, на выв. 13 для выбора одно- или двухтактного режима работы микросхемы (при наличии на нем +5 В выбирается второй режим).

Частоту генератора пилообразного напряжения определяют номиналы конденсатора и резистора, подключенные к выв. 5 и 6 ИМС соответственно. В рассматриваемом ИП частота фиксирована и примерно равна 60 кГц.

При запуске на выв. 8 и 11 микросхемы формируются последовательности импульсов в том случае, если на выв. 12 имеется питающее напряжение, уровень которого находится в диапазоне от +7 до +40 В.

Независимые выходные транзисторные ключи обеспечивают возможность работы выходного каскада по схеме с общим эмиттером либо по схеме эмиттерного повторителя.

Выходной каскад микросхемы работает в одно- или двухтактном режимах с возможностью их выбора с помощью специального входа (выв.13).

Формирование импульсов ШИМ на выходах микросхемы достигается сравнением положительного пилообразного сигнала,получаемого на конденсаторе генератора, с любым из двух управляющих сигналов. Логические схемы управления выходными транзисторами открывают их только тогда, когда сигнал на тактовом входе С1 триггера переходит уровень лог. "0". Таким образом, если на этом входе триггера имеется уровень лог. "1", то выходные транзисторы закрыты в обоих режимах работы. Если же на этом входе присутствует сигнал тактовой частоты, то в двухтактном режиме транзисторные ключи открываются поочередно по приходу на триггер среза тактового импульса. При однотактном режиме триггер не используется и оба выходных ключа открываются синхронно. Это открытое состояние транзисторов возможно только в той части периода генератора, когда указанное пилообразное напряжение больше, чем управляющие сигналы.

Таким образом, увеличение или уменьшение величины управляющего сигнала вызывает соответственно линейное увеличение или уменьшение ширины импульсов напряжения на выходах микросхемы. В качестве управляющих сигналов может быть использовано напряжение на выв. 4 (управление "мертвым" временем) на входах усилителей ошибки или входе сигнала обратной связи (выв. 3). Повышение уровня управляющих сигналов вызывает соответствующее линейное уменьшение ширины выходных импульсов. Оба усилителя ошибки имеют входной диапазон синфазного сигнала от -0,3 до (Vcc-2) В и используются для считывания значений напряжения или тока с выхода ИП.

Компаратор управления скважностью имеет постоянное смещение 100 мВ от источника постоянного напряжения, которое ограничивает минимальную длительность "мертвого времени" величиной около 5%. В результате максимальная длительность рабочего цикла составляет 95%, если выв. 13 соединен с общим проводом) и 50%, если на выв. 13 подано опорное напряжение. Увеличить длительность "мертвого" времени на выходе можно, подавая на вход регулировки (выв. 4) постоянное напряжение в диапазоне 0...3,3 В. Назначение выводов микросхемы TL494 приведено в таблице 2.

Таблица 2. Назначение выводов микросхемы TL494

Принципиальная схема ИП приведена на рис. 3 (см. здесь)

Через крайние контакты разъема TER1 и предохранители FUSE1, FUSE2 на ИП подается напряжение 14,4 В от бортовой сети автомобиля. Через средний контакт этого разъема от замка зажигания автомобиля подается управляющий сигнал REMOTE, предназначенный для включения рабочего режима системы. Этим сигналом открывается ключ на транзисторах Q1, Q2, а с них сигнал подается на выв. 8, 11, 12 ИМС U1 (TL494). На выходах U1 (выв. 10, 9) формируются сигналы запуска, которые через эмиттерные повторители на транзисторах Q7, Q8 поступают на выходной каскад, выполненный на N-канальных МОП транзисторах Q51, Q52, Q53 и Q61, Q62, Q63 (в каждом плече по 3 транзистора, включенных параллельно). Стоки транзисторов подключены непосредственно к выв. 1, 4 трансформатора Т1 без использования печатных проводников. Для фильтрации помех между выв. 2, 3 трансформатора и общим проводом в выходных каскадах используются конденсаторы С51-С56.

К вторичным обмоткам 5-6 и 7-8 трансформатора Т1 подключены выпрямители, состоящие из сдвоенных диодных сборок D74, D75 и конденсаторов С76-С78, С86-С88, формирующие питающие напряжения 35,11 В (VCC) и -35,11 В (VEE), предназначенные для питания выходных каскадов усилителя.

К вторичной обмотке 7-9 трансформатора Т1 подключены диоды D71, D72, С72 и D81, D82, С82, формирующие напряжения 23,1 и -23,36 В, из которых с помощью стабилизаторов на микросхемах U71 (KIA7812) и U72 (KIA7912) формируются стабилизированные напряжения + 12 и-12 В соответственно, предназначенные для питания предварительных каскадов, компараторов и других узлов усилителя.

В ИП имеется термозащита, включающая в себя термистор ТН1 и компаратор U2 (U2-B) (KIA393F). Термистор конструктивно имеет тепловой контакт с корпусом усилителя вблизи выходных транзисторов. Напряжение с термистора подается на вход компаратора (выв. 5). Резисторы R19, R17, R18 вместе с термистором образуют измерительный мост. При нагреве корпуса усилителя примерно до 100 °С сопротивление термистора снижается, компаратор срабатывает и с выхода(выв.7)через транзистор Q3 блокирует работу преобразователя (выв. 4 U1).

Второй компаратор U2-A представляет собой датчик постоянной составляющей тока на выходе усилителя мощности и служит для защиты усилителя от короткого замыкания в нагрузке. Через транзистор Q5 на вход компаратора (выв. 2) поступает сигнал OFFSET с выходных цепей усилителя и в случае появления постоянной составляющей с уровнем более чем 50 мВ компаратор срабатывает и блокирует преобразователь по цепи: выв. 1 U2 - Q3.